DE2928176A1 - Einkristall auf der basis von seltenerdmetall-gallium-granat - Google Patents

Description

• "Eintristall auf der Basis von Seltenerdmetall-
• Gallium-Granat" Die Erfindung bezieht sich auf einen Einxristall auf der Basis von Seltenerdmetall-Gallium-Granat.
• Granateintristalle A3/3+B5/3+ O12, insbesondere aus Gadolinium-Gallium-Granat Gd3 Ga5 O12 mit einer Gitterkonstanten aO von 1,238 nm werden vorzugsweise als Substrate von z.B. 0,8 mm DicKe für magnetische Speichermaterialien in der Magnetblasentechnit (Informationsspeichertechnik unter Verwendung mobiler magnetischer Zylinderdomänen) benutzt (vgl. IEEE Transaction Mag-7 (1971), S. 404).
• Auf diesen Substratykristallen läßt man bexanntlich in einem FlUssigphasen- oder Gasphasen-Epitaxieprozeß dünne magnetische Granatschichten (Speichermaterial) von einigen um Dicke , z.B. 5 µm, aufwachsen. Solche Granatschichten können nur dann mit der erforderlichen Störungsfreiheit und Perfextion auf dem vorgegebenen Substrat aufwachsen, wenn Substrat und epitaxiale Schicht nahezu die gleiche kristallographische Gitterxonstante besitzen.
• Für die InformationsspeichertechniR nach dem magnetooptischen Speicherverfahren unter Verwendung des magnetooptischen Faraday-Effextes zum Auslesen der Information (vgl. J. Appl.Phys. 40 (1969), S. 1429 - 1435) kann der GütefaKtor des Speichermaterials, vorzugsweise von Gadolinium-Eisen Granaten, beträchtlich erhöht werden, wenn eine genügende Menge Wismut in das Speichermaterial eingebaut wird, was eine wesentliche Erhöhung der Faraday-Drehung bewirkt (DE-OS 23. 49 348). Da der Einbau von Wismut die GitterKonstante vergrößert, muß in diesem Fall auch ein Substrat mit entsprechender Gittertonstante aO, vorzugsweise in der Nähe von 12,48 nm, verwendet werden.
• Bisher ist man zu diesem Zweck von Neodym-Gallium-Granat Nd3 Ga5 °12 (aO = 1,251 nm) oder entsprechendenMischkristallen ausgegangen (DE-OS 24 34 251).
• Derartige Einrristalle werden üblicherweise als lange Stäbe aus einer Schmelze gezüchtet, z.B. nach einem in "Solid State Communications" 2 (1964),S. 229-231, beschriebenen Verfahren. Anschließend werden von diesen nichtmagnetischen Granat-Stäben Eintristallscheiben gewünschter DicKe als Keimunterlage für magnetische Granatschichten abgeschnitten. Die Herstellung magnetischer Granatschichten wird z.B. in der Arbeit von W. Toltsdorf in IEEE Trans. mag. MAG-11 (1975) S. 1074 ff beschrieben.
• Wie oben dargestellt, ist also sowohl zur Vermeidung von Spannungsrissen in der aufgewachsenen magnetischen Schicht als auch zur Einstellung der magnetischen Eigenschaften eine Anpassung der GitterKonstanten der Keimunterlage an die der Schicht erforderlih. Durch Auswahl eines geeigneten SeBenerd-Gallium-Granats (SE3Ga5012; SE = Y, Gd, Sm, Nd) wird eine Grobanpassung der Gittertonstante erzielt, die sich in der Praxis Jedoch als nicht ausreichend erwiesen hat.
• Aus der DE-OS 24 34 251 ist ein Einkristall auf der Basis von Gd-Ga-Granat benannt, bei welchem eine zusätzliche Feinanpassung der Gitterwonstante durch einen partiellen Ersatz der Kationen des Granatgitters durch Fremdionen angestrebt wird. Es werden hier für Seltenerdionen auf dem Dodekaederplatz Ca2+- oder Sr2+-Ionen eingebaut, sowie Mg2+-, Zr4+- oder Sn4+-Ionen für Galliumionen auf dem Oktaederplatz des Granatgitters.
• Ein Nachteil dieser bekannten Zusammensetzungen ist, daß nur Kristalle bis zu einem Durchmesser von maximal 22 mm bei einer Wachstumsgeschwindiglceit von 2 mm h 1 hergestellt werden tönen, da bei dieser Art von Zusammensetzungen ein Verteilungskoeffizient vorliegt, der # 1 (Keff = 0,89 bis 1,05) ist.
• Wird aus einer Schmelze mit z.B. einem Verteilungskoeffizienten < 1 ein Kristall mit zu hoher Ziehgeschwindigkeit gezogen, reichern sich vor der Wachstumsfront Verunreinigungen an, die zu einer Herabsetzung des Schmelzpunktes und damit zu einer erhöhten lokalen Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls führen. Der Kristall wächst dann nicht in Gleichgewichtszusammensetzung an und neigt zu Spannungen und Versetzungsbildung.
• Der Erfindung liegt die Augabe zugrunde, pine Zusammensetzung für Granat-Einkristalle anzugeben, die es ermöglicht, bei gleicher Kristallqualität größere Granat-Einkristalle mit höherer Ziehgeschwindigkeit herzustellen, als es mit den bekannten Zusammensetzungen möglich ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Granat der Zusammensetzung A3-x/3+Bx/2+Ga5-x/3+Cx/2+Dx/4+ O12 entspricht, worin A = Gadolinium und/oder so Barium und/oder Neodym und/oder Yttrium 13 c.
• Calcium und/oder Strontium und/oder MagnesiUm, D - Zirkon und/oder Zinn und 0,1 # x # 0,7 ist.
• Zum Verteilungstoeffizienten Keff ist folgendes auszuführen: Für die technische Verwendung dieser Mischeinkristalle als Substrat ist es wichtig, daß bei der Züchtung die Zusammensetzung und damit die GitterKonstante des Kristalls zwischen Wachstumsbeginn und Wachstums ende nahezu gleich ist. Dies ist nur dann zu erreichen, wenn der Verteilungsxoeffizient zwischen Kristall und Schmelze eins oder nahezu eins ist, wobei die Abweichung nicht größer als 4 . 10 2 nm sein sollte.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man bei Seltenerdmetall-Gallium-Granaten durch gedoppelte Substitution einmal der Ionen sowohl auf den Dodexaeder- als auch auf den Ottaederplätzen durch Erdalkalimetallionen, insbesondere Calcium- und Strontium-Ionen, und zum anderen der Ionen auf dem Oktaederplatz durch Mg2+-, Sn4+- oder Zr4+-Ionen zu den erwünschten Kristalleigenschaften gelangen kann.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile werden insbesondere bei einer großtechnischen Serienfertigung wirksam.
• Es ist erwünscht, z.B. Displays möglichst großen Flächeninhalts herstellen zu können, was nur erreicht werden kann, wenn die gezogenen Kristalle einen möglichst großen Durchmesser haben und dabei weitgehend spannungsfrei sind.
• Außerdem ist es wichtig, daß die Wachstumsgeschwindigkeit dieser Kristalle erhöht wird, um wirtschaftlich arbeiten zu können.
• Mit den Zusammensetzungen gemäß der Erfindung ist es mög-1 ich, Kristalle in wesentlich größeren Abmessungen bei wesentlich erhöhter Wachstumgsgeschwindigkeit nahezu spannungsfrei herzustellen, als es mit den bekannten Zusammensetzungen möglich ist.
• Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbei- spiels näher erläutert.
• Es wird die Züchtung eines Gd2,6 Ca0,4 Ga4,1 Mg 25 Zr0,65 O12-Mischristalls beschrieben: Die Ausgangssubstanzen (1947,11 g Gd203, 1587,65 g Ga203, 92,68 g CaO, 41,63 g MgO und 330,93 g Zr02) werden gemischt, in Zylinderform gepreßt und bei 15000C in Sauerstoff-Atmosphäre geglüht.
• Anschließend wird der SinterKörper in einem induktiv beheizten Iridiumtiegel bei ca. 18000C in einer abgeschlossenen Kristallziehapparatur aufgeschmolzen. Durch die Apparatur wird ein Gasgemisch bestehend aus 50 % N2 + 50 % CO2 geleitet. Als Impfkristall dient ein zylinderförmiger Eintristallstab aus Gadolinium-Gallium-Granat.
• Der Ziehprozeß wird in beKannter Weise nach dem Czochralski-Verfahren durchgeführt. Die Wachstumsgeschwindigkeit beträgt 5,0 mm h 1, die Rotationsgeschwindigkeit 40 U/min 1.
• Die gezüchteten Kristalle haben eine Länge von 50 mm und einen maximalen Durchmesser von 77 mm. Ihre Gitterkonstante aO beträgt 1,249 nm, wobei eine Abweichung des Wertes für die Gitterkonstante haO zwischen Wachstumsbeginn und Wachstumsende gemessen wurde, die nicht mehr als 1 10 nm betrug.
• Für den Verteilungskoeffizienten Keff (Zr4+) wurde ein Wert von 0,96 ermittelt.
• Die Einkristalle nach der Erfindung eignen sich insbesondere als Substrat für epitaxialenagnetische Granatschichten für magneto-optische Informationsspeicher oder Displays.
• Zur Herstellung der magnetischen Granatschichten (Speicherschichten) werden nach bekannter Technik (vgl. Appl.Phys.
• Lett. 19 (1971), S. 486 - 488, und Journal of Cryst.
• Growth 17 (1972), S. 322 - 328) unmagnetische Substrateinlcristallscheiben nach der Erfindung in eine schmelzflüssige Lösung getaucht und nach dem Flüssigphasen-Epitaxieprozeß Granatschichten z.B. der Zusammensetzung (GdBi)3 (FeAlGa)5 012 von etwa 5 zm Dicke aufgewachsen.
• Für die Anwendung als magneto-optisches Speichermaterial werden diese Granatschichten strukturiert, so daß isolierte quadratische Inseln mit einer Kantenlänge von z.B. 10 zm entstehen. Zum Einschreiben der Information werden diese quadratischen Inseln mit einem Laserstrahl angesteuert; infolge der damit verbundenen Erwärmung der Schicht wird unter gleichzeitiger EinwirKung eines äußeren magnetischen Schaltfeldes die Richtung der Magnetisierung in diesen Inseln umgepolt (vgl. Appl. Phys. Lett. 20 (1972), S. 451 -453).
• Die beim Auslesen des Informationszustandes eines magnetooptischen Speichersangewandte Technik ,utzbarmachung des magneto-optischen Faraday-EffeRtes) kann natürlich auch für optische Diplaysysteme nutzbar gemacht werden.
• So ist ein Magnetblasendisplay vom Projektionstyp bekannt (vgl. IEEE Transacticns MAG-7 (1971), S. 370 - 373), bei dem ebenfalls zur Erhöhung des Bildkontrastes eine beträchtliche Substitution von z.B. eines Seltenerdmetallions pro Formeleinheit durch Wismut erforderlich ist, was die bereits beschriebenen Probleme mit sich bringt und die Notwendigkeit eines Substrates mit erhöhter Gitterkonstante bedingt.
• Ein Vorteil großer Substratscheiben ist, daß die Speicherplatzdichte auf diesen Scheiben größer wird.
• Für bestimmte Anwendungszwecke, z.B. für Reprographiegeräte, ist für eine Speichermatrize eine Speicherplatzkapazität von 256 x 128 bit erforderlich. Dies ist nur realisierbar, wenn die Substratscheiben einer Durcnmesser von nicht Kleiner als 48 mm haben,

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Einkristall auf der Basis von Seltenerdmetall-Gallium-Granat, dadurch gekennzeichnet, daß der Granat der Zusammensetzung A3+/3-xBx/2+Ga5-x/3+Cx/2+Dx/4+ O12 entspricht, worin A = Gadolinium und/oder Samarium und/oder Neodym undioder Yttrium 3 C Calcium und/oder Strontium und/oder Magnesium D = Zirkon und/oder Zinn und 0,1 = x <= 0,7 ist.
2. 2. Einkristall nach Anspruch 1, dadurch getennzeichnet, daß in der Formel 0,25 <= x <= 0,65 ist.
3. 3. Verwendung eines Einkristalls nach den Ansprüchen 1 oder 2 als Substrat für einkristalline magnetisch Granatschichten für magneto-optische Informationsspeicher oder Displays.